表观遗传调控方式厘析

尤佳

摘要：2019年版的人教版高中生物必修2《遗传与进化》新增了“表观遗传”内容，旨在帮助学生更深入地理解基因和表型之间的关系，更有理有据地解释生命现象。这部分内容的重点在于表观遗传调控方式的理解和掌握。教学前，尝试搜集资料和试题，就DNA甲基化修饰、组蛋白修饰、基因编辑技术几个典型的表观遗传调控方式做详细分析。

关键词：表观遗传;调控方式;DNA甲基化;组蛋白修饰;基因编辑技术

随着生命科学研究的不断发展，很多生命现象已经无法用经典遗传学来解释。对此，2019年版的人教版高中生物必修2《遗传与进化》（以下简称“新教材”）新增了“表观遗传”内容，旨在帮助学生更深入地理解基因和表型之間的关系，更有理有据地解释了生命现象。这部分内容的重点在于对表观遗传调控方式的理解和掌握。教学前，笔者尝试搜集资料和试题，就几个典型的表观遗传调控方式做了详细分析。

一、对基因转录表达的调控

根据方式不同，可以把表观遗传调控分为两类：一类是对基因转录表达的调控，主要包含DNA甲基化修饰、组蛋白翻译后修饰、染色质重塑等，涉及的修饰种类具有多样性，修饰方式也很复杂;另一类是基因转录后的调控，主要依靠一些非编码RNA，如siRNA、miRNA、反义RNA等。

（一） DNA甲基化

DNA甲基化是最早发现的表观遗传修饰之一，随着研究的深入，其在基因表达调控、维持基因组稳定性、X染色体失活、胚胎发育、肿瘤发生等方面都发挥了举足轻重的作用。它是在DNA甲基转移酶的催化下，将S腺苷甲硫氨酸（SAM）的甲基作为供体，添加到特定碱基上。根据发生位点的不同，DNA甲基化主要以C5甲基胞嘧啶和N6甲基腺嘌呤两种形式存在，前者更为常见。在哺乳动物中，几乎所有的DNA甲基化都发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上。而基因组中富含CpG重复序列的区域称为CpG岛，CpG岛通常位于启动子区，一般不发生甲基化，基因正常转录;而当CpG岛发生甲基化时，某些基因的转录受到抑制，如抑癌基因的沉默。多数转录因子都含有CpG结合区，发生甲基化的CpG岛无法与这些转录因子结合，且CpG岛甲基化能够影响核小体稳定性，使组蛋白倾向于结合甲基化DNA，稳定染色质结构，从而抑制转录的发生。

DNA甲基化作为新教材中着重介绍的内容，其实在近几年的高考模拟题中早就有所涉及。

例1（江苏省南通市2020届高三第三次调研测试第33题改编）阅读下列关于“遗传信息表达”的相关资料，请回答：

随着分子遗传学的发展，“DNA甲基化影响基因表达”的研究越来越受到关注。某种小鼠体内的A基因能控制蛋白X的合成，a基因不能控制蛋白X的合成。蛋白X是小鼠正常发育必需的一种蛋白质，缺乏时小鼠表现为个体较小（侏儒鼠）。A基因的表达受到A基因上游一段DNA序列（P序列）调控。P序列甲基化（胞嘧啶上添加-CH3）后，A基因不能表达;P序列非甲基化时，A基因正常表达，如图1。A基因的P序列在精子中是非甲基化的，传给子代后能正常表达，在卵细胞中是甲基化的，传给子代后不能表达。

（1）由资料可知，DNA甲基化会改变基因的表达，导致基因控制的性状发生改变。这种现象_________________（填“属于”或“不属于”）基因突变，理由是__________________。

（2）某基因型为Aa的小鼠是侏儒鼠，产生该侏儒鼠的原因是_______________________________。

若纯合侏儒雌鼠与纯合正常雄鼠杂交得F1，F1雌雄个体间随机交配，则F2的表型及比例为____________________________________。

本题考查遗传信息表达的相关知识，旨在培养学生的科学思维，形成生命观念。由资料可知，DNA甲基化是胞嘧啶上添加甲基（—CH3），DNA中碱基序列未发生改变，故不属于基因突变。由于A基因来自卵细胞，P序列甲基化，A基因不能表达，故基因型为Aa的小鼠表现为侏儒;纯合侏儒鼠基因型为aa，纯合正常雄鼠基因型为AA，二者杂交得到的F1基因型为Aa，随机交配后，来自母方的A基因甲基化，来自父方的A基因未甲基化，故后代正常鼠∶侏儒鼠为1∶1。

（二）组蛋白修饰

染色质的基本结构是核小体，每个核小体由147bp的DNA缠绕组蛋白八聚体两圈组成，八聚体包含组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子。组蛋白的C端位于八聚体的核心部位，而N端则游离在外。因N端富含一些化学性质活泼的氨基酸，所以容易发生多种修饰，常见的包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。最新的研究还发现，组蛋白上也能发生巴豆酰化。组蛋白修饰可以调控染色质结构，影响基因的表达。不同的修饰类型和不同位点的修饰具有各自不同的生理功能。这样多样化的修饰以及它们在时空上的多种组合能精确调控生物学过程，被称为“组蛋白密码”。

有关组蛋白修饰的高考模拟题并不多，考点无非就是基因转录。这类试题难度并不大，但对学生剖析题干、提取关键信息的能力要求较高。教师在讲解试题过程中尤其要强化相关知识点的联系与迁移，注意学科核心素养的培养。

例2（湖北省九师联盟2021届高三12月联考第13题改编）已知组蛋白乙酰化与去乙酰化，分别是由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和去乙酰化转移酶（HDAC）催化的，HAT和HDAC催化的乙酰化反应在真核生物基因的表达调控中起着重要作用。这两种酶通过对核心组蛋白进行可逆修饰来调节核心组蛋白的乙酰化水平，从而调控转录的起始与延伸。一般来说，组蛋白的乙酰化促进转录，而去乙酰化则抑制转录。染色质包括具有转录活性的活性染色质和无转录活性的非活性染色质，染色质上的组蛋白可以被乙酰化，图2和图3表示部分乙酰化过程。下列相关推测不合理的是（）

A.活性染色质由DNA和蛋白质组成，而非活性染色质无蛋白质

B.HDAC复合物使组蛋白去乙酰化伴随着对基因转录的抑制

C.由图可知，激活因子使组蛋白发生乙酰化，可改变染色质的活性

D.细胞中HAT复合物的形成有利于RNA聚合酶与DNA的结合

本题的考查背景是组蛋白修饰与基因表达的关系，解题时需要指导学生分析文字和辨识图片，关注信息提取能力的训练。由于染色质的组成包括组蛋白和DNA，所以选项A的推测显然不合理。根据题干内容可知，HDAC是组蛋白去乙酰化酶，可以抑制基因转录;反之，HAT参与组蛋白乙酰化，能促进基因转录。再结合图2、图3可以推测，HAT复合物中的激活因子能使染色质获得活性，故選项B、C的推测合理;转录过程以DNA为模板，需要RNA聚合酶催化，选项D的推测也合理。

二、基因转录后的调控

动植物绝大部分的基因组序列都具有转录的潜能，但能编码蛋白质的基因数量却远远少于人们的预期。以人类基因组为例，其中只有约3%的序列编码蛋白质，除去非转录区，其余约70%的序列转录产生非编码RNA。在非编码RNA中，研究最早的是转运RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）、snRNA等，它们是保证细胞内中心法则正常执行的生命分子。以长度200nt为界限，可以将这些非编码RNA按大小分成长链非编码RNA（lncRNA）和小非编码RNA（有时也简称为“小RNA”）。

在真核细胞中，如果转录后的RNA不被运出细胞核，基本上就是起非编码的功能。细胞核内非编码RNA可以通过与DNA、蛋白质以及RNA-RNA之间的相互作用来行使调控作用，参与如染色质的远程相互作用、组蛋白修饰调控、mRNA剪切调控、DNA的损伤修复以及异染色质形成和mRNA降解等调控过程。而在细胞质中，非编码RNA也可以对mRNA稳定性及其定位、翻译等过程进行调控。雌性动物X染色体失活与非编码RNA参与染色体组蛋白的表观遗传修饰有关，如常见的“三花猫”毛色相间现象就是典型实例。一系列的证据显示， 非编码RNA还可以参与特定类型的获得性遗传。

基因编辑技术是当下很热门的一项生物技术，也是基于非编码RNA而获得广泛应用的。2005年，CRISPR/Cas9技术已经被普遍用来研究具体的某个基因，在此之前，获得基因敲除的灵长类动物是难以想象的事情。CRISPR是存在于细菌中的一种基因组。许多细菌将外源DNA以重复序列形式整合进自身基因组，随后将此段序列转录出非编码RNA（sgRNA），利用其指导Cas9蛋白切割再次入侵的外源DNA。这实际上是细菌对抗外来DNA的一种天然免疫方式，利用这项技术可以敲除或敲入基因，改变基因表达水平。最新研究还发现，利用碱基编辑技术改变sgRNA可以实现对某种甲基化酶和组蛋白的定点突变，从而可以研究蛋白质翻译后的修饰功能，也能实现对组蛋白修饰的“重编程”。

江苏高考其实早在2016年的选择题中就涉及CRISPR/Cas9技术。2021年1月的新高考适应性考试中，江苏再次紧跟潮流，通过图例解释热门技术的原理，同时将题中所涉转录、翻译等有关知识点串联起来，题型也改成了难度相对较大的填空题，暗示了高考命题的趋势。

例3（江苏省2021年新高考适应性考试生物第22题改编）啤酒生产需经过制麦、糖化、发酵等主要环节。糖化主要是将麦芽中的淀粉等有机物水解为小分子的过程。敲除酿酒酵母中的蛋白酶基因，减少发酵液中蛋白的水解，有助于增强啤酒泡沫的稳定性，从而改善啤酒的品质。以下是某科研小组的实验：

（1）已知编码酵母蛋白酶A（PEP4）的基因序列（为非模板链）为：5′-ATGTTCAGCT TGAAAGCATTATTGCCATTGGCCTTGTTGT GGTCAGCGCC……CAATTTGA-3′。

编码该酶的mRNA，起始端的三个密码子依次为_________________，终止密码子为__________________。

（2）Cas9蛋白可在人为设定的RNA序列（sgRNA）引导下，在选定位点切断相应的DNA链（如图4），在DNA自我连接的修复过程中产生突变。DNA序列中含NGG的位点具有较高的编辑效率（N为任意碱基）。

上述PEP4序列虚线框中有_________处可作为Cas9的优选剪切位点。Cas9的剪切位点在其NGG识别位点的________________（填“5′”或“3′”）侧。

本题以当下热门的基因编辑技术为背景，展示了实际操作涉及的具体原理，要求学生牢记双链结构是反向平行的。已知非模板链与模板链互补配对，转录时RNA聚合酶结合在模板链的5′端催化mRNA的合成，因此编码该酶的mRNA的序列与非模板链一致，只是以尿嘧啶取代胸腺嘧啶。5′端起始的三个密码子依次是AUG、UUC、ACC，3′端的终止密码为UGA。根据题干可知，Cas9蛋白属于一种核酸内切酶，能够断开DNA内部的磷酸二酯键，它的切割也不是随机的，需要sgRNA与单链DNA互补配对才能定位剪切点。结合图4可知，Cas9倾向于切割NGG位点的3′侧，若只考虑非模板链中的剪切点，包含NGG的只有2处;若考虑DNA双链结构的话，含有NGG的就有4处，虚线框中端点的CC正好排除在外;但我们更深入思考的话，已知剪切点在NGG的3′侧，题目所问的是剪切位点，并非识别位点，填写5处也不无道理。这一空答案颇有争议，仁者见仁，智者见智。

表观遗传学仍然以经典遗传学为基石，是对遗传机制的完善和补充。教学资料应当确保严谨科学，避免出现争议点，语言表述要言简意赅。同时，应尽量将高中涉及的相关知识和方法串联起来，这对于学生了解基因表达的复杂性，形成多角度分析生物现象的意识，构建正确的生命观念大有裨益。